一种铝钢cmt熔钎焊接过程控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，包括以下步骤，在铝板和钢板焊缝区安装温度传感器，近缝区上方安装有测距传感器，测距传感器纵向以焊接速度V移动，横向以速度P往复运动，测距传感器从焊缝一端运动到另一端为一个周期，在一个周期内根据近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角实时数据，判断焊接过程是否正常，调整下一个周期的焊接参数。本发明的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，通过温度传感器、测距传感器实时的检测近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角，调整焊接参数，避免了钎焊侧焊缝温度过高，焊接表面平整，提高了焊接质量，操作简便，便于推广与应用。
【专利说明】一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，属于金属材料加工领域。
【背景技术】
[0002] 目前，铝与钢的焊接工艺方法主要有电弧焊、摩擦焊、钎焊、爆炸焊、扩散焊、电阻 焊和激光焊等，可分为熔化焊、钎焊和固相焊三大类。对熔化焊来说，由于铝与钢两种金属 在固态下几乎不固溶，且热物理性能差异较大，在焊接接头内极易生成硬而脆的Fe-Al金 属间化合物，严重恶化接头的力学性能，从而使铝合金/钢熔化焊接头失去了应用价值。对 于钎焊和摩擦焊等固相连接方法来说，虽然可以得到较高的铝合金/钢接头强度，但受工 件形状和尺寸的限制，应用范围和接头形式受到了很大的限制。
[0003] 因此衍生出多种工艺方法实现铝合金与钢的熔钎焊，如激光熔钎焊、TIG熔钎焊、 MIG熔钎焊、CMT熔钎焊等。激光熔钎焊能有效控制界面的反应、可以实现无钎剂的铝台金 /镀锌钢板的熔一钎焊，并得到满意的接头质量，但减小光斑以达到需要的激光功率密度时 需要提高工件的装配精度，这会增加生产成本。TIG电弧具有能量输出稳定、成本低等优势 而成为铝合金/钢熔一钎焊的有效工艺方法，但因受限于钨极温度，TIG电弧能量输出受 限，使其焊接效率相对较低。MIG焊虽然没有钨极烧损的问题，可以大电流高速施焊，但容易 产生飞溅以及高速焊接焊缝成形差、易产生咬边、驼峰焊道等缺陷。
[0004] 相比之下，CMT熔钎焊与其它工方法相比具有过程稳定、热输入低等优势，可实现 铝/钢薄板的优质连接。在确定填充材料和钎剂下，焊接热过程是接头钎焊界面金属间化 合物层的决定性因素，决定着界面各种金属间化合物的生长、形态及分布。目前采用离线数 值模拟技术与工艺试验相结合的方法，深入分析铝合金与钢熔一钎焊接热过程，这对促进 铝合金与钢熔一钎焊技术的应用具有意义，但是这仅仅是离线分析技术，缺乏相应焊接过 程中的热和焊缝表面成形反馈控制技术。
[0005] 因此寻找一种有效的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法、避免钎焊侧焊缝温度过 高、焊缝表面成形恶化，成为了一个新的重要任务。
【发明内容】
[0006] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种铝钢CMT熔钎焊接 过程控制方法，避免钎焊侧焊缝温度过高，实时方便。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法， 其特征在于，包括以下步骤：
[0008] 在钢板侧近缝区安装温度传感器，在近缝区上方安装有测距传感器，测距传感器 纵向以焊接速度V移动，横向以速度P往复运动，测距传感器从焊缝一端运动到另一端为一 个周期，在一个周期内根据近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角实时数据，判断焊接过程是 否正常，调整下一个周期的焊接参数；
[0009] 当焊接过程处于正常状态，则维持当前焊接参数不变；
[0010] 当润湿角小于〇度，认为焊缝填充不足，需减小焊接电流、焊接速度，焊接电压维 持不变；
[0011] 当润湿角大于20度时，如果焊接温度正常，并且焊接过程处于不正常状态、焊缝 余高过高时，则加快焊接速度、提高焊接电压；
[0012] 当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏高，并且焊接过程处于亚正常状态，则加 快焊接速度、减小焊接电流；当余高与焊缝宽度比值大于A，焊接过程处于不正常状态、则 中止焊接；
[0013] 当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏低，并且焊接过程处于亚正常状态，则减 小焊接速度或增大焊接电流；当比值大于A，则认为焊缝余高过高，减小焊接速度的同时增 大焊接电流。
[0014] 作为优选，所述焊接过程是否正常，根据以下判断：
[0015] (1)当近缝区温度处于区间[770,800]时，认为焊接温度正常；
[0016] (2)当近缝区温度大于800时，认为温度偏高；
[0017] (3)当近缝区温度小于770时，认为温度偏低；
[0018] (4)当润湿角在区间[0, 20度]、焊接温度正常，认为焊接过程处于正常的状态；
[0019] (5)当润湿角小于0度，认为焊缝填充不足，需调整焊接参数；
[0020] (6)当润湿角大于20度时，如焊接温度正常，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当 比值小于或等于A时，认为焊接过程仍处于正常状态；当比值大于A，则认为处于不正常状 态、焊缝余高过高，需调整焊接参数；
[0021] (7)当润湿角大于20度时，如焊接温度偏高，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当 比值小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态，焊接工艺存在可调节余量，需调整焊 接参数；当比值大于A，则认为处于不正常状态、焊缝余高过高，在钎料选择或焊前准备方 面存在问题，可考虑中止焊接；
[0022] (8)当润湿角大于20度时，如焊接温度偏低，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当 比值小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态，焊接工艺存在可调节余量，需调整焊 接参数；当比值大于A，则认为处于不正常状态、焊缝余高过高，需调整焊接参数。
[0023] 作为优选，所述比值A的范围[2, 6]。
[0024] 作为优选，所述焊缝宽度为，ts为测距传感器与焊缝一边边沿交汇的时刻，tD为 测距传感器与焊缝另一边边沿交汇的时刻。
[0025] 作为优选，所述焊缝余高为在[ts，tD]时间范围内，H-h(t)进行排序，获得的最大 值就是焊缝余高，H为测距传感器距离铝板或钢板上表面的距离，h(t)为测距传感器实时 测量焊缝上表面的距离。
[0026] 作为优选，所述润湿角Θ = arctan(Kl/K2)，其中，tD时刻的导数ΚΙ、K2, Kl = d (H~h (t)) /dt, K2 = d (P (t)) /dt 〇
[0027] 作为优选，所述V的调节范围[80mm/min, 100mm/min]，P = 600mm/min，焊接电压 调节范围[12V，15V]，焊接电流调节范围[80，120A]。
[0028] 焊缝宽度、余高计算方法：
[0029] 当测距传感器在平行于被焊工件的平面上，只是沿着垂直于焊接方向往复移动， 则测距传感器扫描焊缝表面所经过的路径MD将处于焊缝的横截面上，M点、D点为扫描路径 上焊缝与工件的交接点，同时扫描得出测距传感器与被焊工件之间H、测距传感器与焊缝表 面之间的距离h。设H为事先设置的恒定值，则当测距传感器沿着垂直于焊接方向上移动 时，对应时刻t的横截面上焊缝表面所处点的高度为H-h (t)，显然该值是变化的。
[0030] 当测距传感器以焊接速度V、往复移动速度为P进行运动时，MD上各点在X轴坐标 为：P · t ;由于测距传感器与焊枪在焊接方向上同步运行，测距传感器往复扫描焊缝表面所 经过的路径将不再处于焊缝的横截面上，而是近似一个螺旋线SD，S点、D点为扫描路径上 焊缝与工件的交接点。可见，不能根据曲线SD来计算焊缝余高、焊缝宽度、润湿角。将SD 上各点垂直投影至经过D点的横截面，S点的投影为M点，由于SD上各点的Z轴坐标值没有 改变，则对应投影各点构成的曲线MD，其上各点Z轴坐标值也没有改变；因此在扫描速度足 够快的前提条件下，可由扫描路径上各点Z轴坐标值近似构成焊缝横截面各点的高度值。
[0031] 根据H-h (t)的值可知，当t变化时，该值也在变化。随着时间变化，对该值进行记 录并形成H-h (t)的原始数据序列则对进行高斯小波变换，利用一阶导数提 取该值变化的突变点。该小波变换核心算法如下所示：
【权利要求】
1. 一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 在钢板侧近缝区安装温度传感器，在近缝区上方安装有测距传感器，测距传感器纵向 以焊接速度V移动，横向以速度P往复运动，测距传感器从焊缝一端运动到另一端为一个周 期，在一个周期内根据近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角实时数据，判断焊接过程是否正 常，调整下一个周期的焊接参数； 当焊接过程处于正常状态，则维持当前焊接参数不变； 当润湿角小于〇度，认为焊缝填充不足，需减小焊接电流、焊接速度，焊接电压维持不 变； 当润湿角大于20度时，如果焊接温度正常，并且焊接过程处于不正常状态、焊缝余高 过高时，则加快焊接速度、提高焊接电压； 当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏高，并且焊接过程处于亚正常状态，则加快焊 接速度、减小焊接电流；当余高与焊缝宽度比值大于A，焊接过程处于不正常状态、则中止 焊接； 当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏低，并且焊接过程处于亚正常状态，则减小焊 接速度或增大焊接电流；当余高与焊缝宽度比值大于A，则认为焊缝余高过高，减小焊接速 度的同时增大焊接电流。
2. 根据权利要求1所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于，所述焊接过程 是否正常，根据以下判断： (1) 当近缝区温度处于区间[770,800]时，认为焊接温度正常； (2) 当近缝区温度大于800时，认为温度偏高； (3) 当近缝区温度小于770时，认为温度偏低； (4) 当润湿角在区间[0, 20度]、焊接温度正常，认为焊接过程处于正常的状态； (5) 当润湿角小于0度，认为焊缝填充不足，需调整焊接参数； (6) 当润湿角大于20度时，如焊接温度正常，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值 小于或等于A时，认为焊接过程仍处于正常状态；当比值大于A，则认为处于不正常状态； (7) 当润湿角大于20度时，如焊接温度偏高，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值 小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态；当比值大于A，则认为处于不正常状态； (8) 当润湿角大于20度时，如焊接温度偏低，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值 小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态；当比值大于A，则认为处于不正常状态。
3. 根据权利要求2所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述比值A的 范围[2, 6]。
4. 根据权利要求1所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述焊缝宽 度为|PXts-PXtD|，％为测距传感器与焊缝一边边沿交汇的时刻，tD为测距传感器与焊缝 另一边边沿交汇的时刻。
5. 根据权利要求4所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述焊缝余 高为在[ts，tD]时间范围内，H-h(t)进行排序，获得的最大值，H为测距传感器距离铝板或 钢板上表面的距离，h(t)为测距传感器实时测量焊缝上表面的距离。
6. 根据权利要求5所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述润湿角 9 = arctan(K 1/，其中，tD时刻的导数 K1、K2, K1 = d(H_h(t))/dt，K2 = d(P(t))/dt〇
7.根据权利要求1所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述V的调 节范围[8〇111111/111；[11，10〇111111/111；[11]，？ = 60〇111111/111；[11，焊接电压调节范围[12￥，15￥]，焊接电流调 节范围[80，120A]。
【文档编号】B23K1/00GK104475897SQ201410699740
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】黄燕, 陈书锦, 王欢, 吴铭方 申请人:沪东中华造船(集团)有限公司